高分子材料的研究进展-英语课程论文(中文).doc

河南工程学院专业英语考查课专业论文高分子材料的研究进展学生姓名： 毛金勇 学 院： 机械工程学院 专业班级： 材控1242 专业课程： 专业英语 任课教师： 党旭丹 2015年11月20日摘要:综述了含酯键和酰胺键以及酯键和酰胺键混合键的高分子生物材料的合成、改性以及生物相容性等方面的研究成果。富含亲水基团的可降解以及降解产物可被生物体吸收或代谢的高分子材料可满足组织工程的需要,含可偶联蛋白分子、药物分子活性基团的高分子生物材料将有更大的应用潜力。关键词:高分子生物材料;聚酯;聚酰胺1 引言 生物材料又称生物医用材料,是指对生物体进行治疗、诊断和置换坏损的组织器官或增进其功能的材料。它分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料四种1 。20世纪80年代后期,人们将生物技术应用于生物材料的研究,结合生物要素和功能去构建希望的有生物活性的材料,从而提出了组织工程的概念。组织工程标志着医学将走出组织器官移植的范畴,进入制造组织和器官的时代,因而组织工程是21世纪具有巨大潜力的高科技产业。20世纪的高分子科学的蓬勃发展有力地推动了生物材料的发展,生物高分子材料在药物载送释放和生物支架材料等方面有广泛的应用前景。目前,全世界的医用高分子材料已有90余个品种,1800多种产品,西方国家的消耗按每年10%20%的速度增长。组织工程期望的高分子生物活性材料不仅有良好的生物相容性,而且可生物降解和降解产物容易吸收或代谢,并且有利于细胞的粘附、生长、增殖以及基因表达和调控等。 酯键和酰胺键是容易水解的化学键,因此高分子生物材料多是以含酯键或酰胺键的聚合物。聚羟基酸及其羟基酸的共聚物,如聚乳酸(PLA)和羟基乙酸和乳酸的共聚物(PLGA)是典型的含酯键的生物材料,聚氨基酸是典型的含酰胺键的生物材料。对它们的合成、改性以及在生物医用方面的应用有较广泛的研究。2 聚酯类生物材料 聚乳酸和羟基乙酸与乳酸的共聚物一般是用乙交酯或丙交酯在有机锡催化剂作用下按阳离子机理聚合得到的,它们可以在生理环境中降解,其降解产物可被代谢而排除体外。自1970年聚羟基乙酸成为商用外科缝合线以来2,3,以羟基乙酸和乳酸为单体的生物降解聚合物引起广泛关注,研究者根据所期望的降解机制及力学性能设计可生物降解的聚合物4。PLA和聚羟基乙酸(PGA)都是高结晶的聚合物,它们在生理环境中的水解首先发生在非晶区,由于PLA有侧甲基,表现出比PGA更强的憎水性,因此PLA的水解比PGA的水解困难。将羟基乙酸与乳酸共聚合,通过调节两单体的配比,可望得到预期水解速率的生物材料5 。PLA、PGA及PLGA有良好的生物相容性和生物安全性,它们在药物载送和生物支架材料方面已得到广泛研究 6 药物载送的微包囊、微粒及纳米粒子的制备,一般有喷射干燥法、W/O/W双乳液溶剂蒸发法和气溶胶提取法等三种方法7。负载药物的粒子可以通过口服、皮下注射和肌肉注射等方式进入生物体。日本科学家Akiko等人报道了以PLA和PLGA为材料的微包囊对促黄体激素的体外释放研究,结果表明,介质的pH值、盐浓度等因素都会影响药物的释放。Hongkee等人9 报道了PLA和PGA混合物为材料的微包囊对牛血清蛋白、转移铁蛋白及胰蛋白等模拟蛋白的控制释放,发现这种微包囊可以实现对抗原的连续释放,可以有效代替抗原的多次注射,在疫苗的接种方面有潜在的应用。Zambaux等人于1999年报道了负载蛋白C(一种血浆因子)的PLA纳米粒子的制备及表征,并发现蛋白C基于疏水作用吸附在PLA纳米粒子上。Prabba等人在2002年报道了 不同粒径的PLGA纳米粒子对DNA的载送,结果是粒径愈小对DNA的载送效率越高。Breitenbach等在分析线形聚酯对蛋白类大分子及其它亲水大分子的载送的不利因素的基础上,通过改变聚酯结构和增加聚合物的亲水性,有效调节聚合物的降解速率和药物的释放速率。他们合成了以聚氧化乙烯(PEO)为支链的星形结构聚酯和以糊精或聚乙烯醇为主链、聚酯为支链的梳形结构聚合物,研究表明,它们可作为肠外药物的理想载送材料。Vila等人设计并制备了以聚乙二醇(PEG)为涂层的PLA纳米粒子、以壳聚糖为涂层的PLGA纳米粒子和壳聚糖纳米粒子,研究了它们对活性蛋白的载送,结果表明,经亲水化改造的纳米粒子的稳定性和对蛋白的载负量都大大增加。Sahli等人 研究了PLA和PEO-PLA纳米粒子在小鼠体内与血浆因子的作用后发现,无亲水结构的PLA纳米粒子对凝聚因子很敏感,含亲水结构的PEO-PLA纳米粒子对凝聚因子有较强的抵抗作用,能在血液中较长时间稳定。Zange等人用成纤细胞培养模式研究了以PLGA为A段,以PEO为B段的ABA型嵌段共聚物的体外生物相容性,发现增加PEO的含量,共聚物的降解速率增加,成纤细胞在其上面的粘附和增长情况更加良好。 以PLA或PLGA为基础材料,通过增强改性,可以制得组织工程所需的支架材料。Wang等人报道了以羟基磷灰石生物陶瓷粒子增强PLA,可赋予材料的生物活性,能在其表面上诱导形成类似骨组织的羟基磷灰石。Campbell等人发现由聚己内酯、PLGA及羟基磷灰石组成的混合物在骨组织工程中有潜在应用价值。由这些成分组成的多孔混合物可以在水和含血清的介质中降解,并且材料的降解速率随PLGA含量的增加而加快。 虽然PLA、PLGA或PGA等有良好的生物相容性,在用做药物载送材料和其它植入材料方面得到广泛研究和部分临床应用,但作为长期植入的器件材料,它们降解产物的酸性也备受关注,因为偏酸性的降解产物对细胞的粘附和增长不利,并且可能导致组织发炎。为克服这些问题,卢泽俭等人用二乙醇胺对PLA改性,通过引入有弱碱性的亲水胺基,来中和降解的酸性产物,改进细胞在该材料表面的粘附性,促进细胞的增长。Ambrosio等人以聚磷腈和聚羟基酸的混合物为生物材料,通过考察降解体系的pH变化,发现聚磷腈的降解产物可以中和聚羟基酸的酸性降解产物,降低混合物降解的酸性,增加材料的生物适应性。 因此,以PLA、PGA和PLGA为基础的生物材料,若设法引入亲水部分,将更有利于药物的载送和释放。若引入可中和酸性降解产物的组分,将更好地赋予材料的生物适应性。改变GA和LA的配比,可以调节PLGA的降解速率。带侧羧基或胺基的聚酯有良好的水溶性,并可负载和持续释放药物。Cammas等人第一次以天冬氨酸为起始原料合成出可载送大分子药物的高分子量的聚(-苹果酸)。Kazuhiro等人用3(s)-(苄氧基羧基)甲基-1,4-二氧六环-2,5-二酮开环聚合,得到含侧羧基的聚羟基酸。Fietier等通过对丝氨酸胺基的保护,然后环化成内酯,再对内酯开环聚合及去保护,合成出有侧胺基的功能聚酯。不过,至今很少见到有关带侧羧基或胺基的聚酯在生物医用方面的报道。3 聚氨基酸类生物材料 聚氨基酸是典型的含酰胺键的聚合物,它们富含侧功能基,且降解产物是简单的-氨基酸,用它做生物材料,具有明显的优越性。聚谷氨酸的早期合成方法,都是先用氨基酸与过量光气反应生成N-羧酸酐(NCA),然后再阴离子开环聚合。用光气合成NCA,需要大大过量的剧毒光气,不利于化学计量和掌握平衡。1988年Daly等报道了用三光气合成NCA的工作,由于三光气是晶状固体,储存安全和使用方便,可化学计量,能溶于THF和己烷等有机溶剂,大大方便了NCA的合成。不过,除聚谷氨酸外,其它聚氨基酸很难溶解,且物理性能及加工性能较差。不过,最近Klok经过连续开环-去保护步骤聚合得到高度支化的树枝状水溶性聚赖氨酸,预期该类聚合物在生物医药方面有广泛用途。因此仍未就聚氨基酸开发出有应用价值的产品。近十多年来,为了提高聚氨基酸的溶解性和加工性,对其共聚改性的研究十分活跃。Cammas等人用一端为伯胺基的PEO引发-苄基-L-天冬氨酸酯-N-羧酸酐,得到含亲水链段PEO和聚氨基酸酯链段的二嵌段共聚物,该共聚物在水中能形成稳定的胶束,并经过冷冻干燥得到直径为35nm的胶束粉末。Kataoka等人报道了用一端为伯胺基的聚乙二醇(PEG)引发取代赖氨酸的NCA,得到了二嵌段聚合物,并研究了部分取代的赖氨酸结构对胶束化的影响。Yuan等人用两端都为伯胺基 的聚氧化乙烯引发L-苯基丙氨酸的NCA,得到有较好亲水性的三嵌段聚合物。Kang等人用两端为伯胺基的聚氧化丙烯(PPO)引发-苄基谷氨酸酯的NCA,得到中间为PPO的三嵌段聚合物,对该聚合物的血液相容性和气体渗透性研究表明,在聚氨基酸中引入无定型的PPO,有利于提高嵌段共聚物的抗血凝作用和气体的渗透性。由于聚(-甲基-L-谷氨酸酯)的外观和手感与天然皮相似,但它的回弹性和对细胞的粘附性不好。Uchida等人报道了分别用伯胺、叔胺和肼为引发剂,合成含聚氨酯链段和聚(-苄基谷氨酸酯)链段的聚合物,研究表明,改性后的聚合物的回弹性及对细胞的粘附性都得到显著提高。4 羟基酸和氨基酸共聚物类生物材料 羟基酸和氨基酸形成的共聚物,将综合两类聚合物的优良性能,是生物可降解、吸收和代谢的十分有应用潜力的组织工程材料。由于乙交酯或丙交酯的开环是经由阳离子机理,NCA开环是经由阴离子机理的,因此不能将交酯和NCA置于一起共聚合。Barrera等人先合成出含有乳酸结构单元和胺基被保护的赖氨酸单元的环状二聚体,然后将该环状二聚体与丙交酯一起经由阳离子开环共聚合,再去保护,就得到含赖氨酸单元2.6%的乳酸和赖氨酸的共聚物。该共聚物的胺基可偶联短肽,赋予它更好的生物活性。Jin等人合成了含丝氨酸2%的乳酸与丝氨酸的共聚物,共聚物中的自由羟基与两端是异氰酸根的PEO反应,增加了聚合物的无定形成分,改进了聚合物的生物相容性。至今,氨基酸的改性主要是引入亲水结构和调整其结晶性,进而改善聚合物的生物降解行为和组织相容性。尽管有研究者实现了氨基酸与羟基酸的共聚合,但共聚物中氨基酸结构单元的含量很低。有关氨基酸的共聚物在生物材料方面的研究报道十分罕见。参考文献：1 俞耀庭(YUYao-ting),陈兴栋(CHENXin-dong).生 物医用材料(Biomaterials).天津大学出版社(TianjinUniversityPress),第1版(Edition1),2000:12.2 GilgingDK,ReedAM.Polymer,1979,20:1459.3 ReedAM,GildingDK.Polymer,1981,22:494.4 LisaB.InternationalJournalofPharmaceutics,1995, 116(1):1. 5KissE,Vargha-ButlerEI.ColloidsandSurfaceB: Biointerfaces,1999,15(34):181. 6 AkikoK,ShgeruK,AkiraS,etal.J.Controlled Rel.,1996,40(3):269. 7 ClaudiaW,EricD.J.ControlledRel.,1998,51(2 3):327. 8 RocioH,MiguelRF.AdvancedDrugDelevery Reviews,2001,52(1):5. 9 HongkeeS,RobintonT,ChienY.